Динамика атмосферы и океаны - Гилл А.
Скачать (прямая ссылка):
Если две границы канала расположены не близко друг к другу, то возникает вопрос, на каком удалении от берега вдоль-береговая составляющая силы Кориолиса еще может считаться
малой. Оказывается, что это удаление должно быть равно радиусу деформации Россби. Поэтому приближение узкого канала применимо лишь для каналов, ширина которых мала по сравнению с радиусом Россби. Для широких каналов имеется специальный вид приспособления у границ. Он осуществляется за счет волн, амплитуда которых быстро уменьшается с увеличением расстояний от границы до значений порядка радиуса деформации Россби. Они называются волнами Кельвина, и их свойства изучаются в разд. 10.4. Особенность этих волн состоит в том, что они могут распространяться вдоль берега только в одном направлении, а именно оставляя его справа от себя в Северном полушарии и слева — в Южном полушарии. Причина в том, что вдольбереговая составляющая течения геострофически сбалансирована с полем давления и может затухать при удалении от берега только при соответствующем направлении распространения волны.
Существование границ создает также волны Пуанкаре. Соответствующие решения изучаются в разд. 10.3 и 10.5. Если канал широк (по сравнению с радиусом Россби), то влияние конечной длины канала найти достаточно трудно. Этот эффект обсуждается в разд. 10.6. Особенно интересно рассмотреть поведение в конце канала волны Кельвина. Применительно к сейшам и приливам в Северном море эта проблема изучалась Тейлором [770]. Наиболее подходящий способ описать решение — записать его в виде единичной волны Кельвина, которая распространяется, обходя углы в концевых точках канала без потерь энергии, но с приспособлением по фазе, вызванным поворотами на углах. Этот способ используется ниже (разд. 10.10) при изучении штормовых нагонов.
Приспособление к состоянию равновесия в канале имеет некоторые интересные особенности, которые обсуждаются в разд. 10.7. В частности, для широкого канала с первоначальным разрывом уровня приспособление вдали от границ не слишком сильно зависит от их наличия. Однако эффекты этого разрыва переносятся вдоль границ волнами Кельвина, идущими только по одной из сторон канала (правой по отношению к волне, движущейся в Северном полушарии). В результате после установления равновесия течение, которое было связано с первоначальным разрывом, отклоняется влево, когда оно достигает берега, и продолжается далее вдоль этого берега. Выше по потоку от первоначального разрыва течение направлено вдоль противоположного берега канала.
В разд. 10.8 кратко обсуждается динамика приливов. Равновесная теория оказывается неприменимой к суточной и полусуточной составляющим, поскольку скорость обегания равновесного прилива вокруг Земли близка по величине к скорости длинных гравитационных волн. Подробности этого процесса довольно
сильно зависят от прихотливых очертаний берегов Мирового океана, но имеются свидетельства, что полусуточный прилив имеет период, близкий к периоду одной из мод собственных колебаний океана. Это означает, что локальные приливы подвержены влиянию свободных волн. Например, в Тихом океане важными элементами приливов являются волны Кельвина. С другой стороны, Северная Атлантика оказывается достаточно узкой, так что к ней еще может быть применено приближение узкого канала.
Некоторые важные эффекты на границах создает ветер. В частности, вдольбереговая составляющая ветрового напряжения приводит к образованию экмановских потоков, направленных на берег или от него. В мелких морях направленный к берегу поток приводит к накоплению вод и аномальному повышению уровня моря. Это явление называется штормовым нагоном. Сильные штормовые нагоны в прошлом привели к гибели более миллиона человек, вызвали большие разрушения. Они играли важную роль в формировании многих особенностей топографии морских побережий. Процессы образования таких нагонов и наиболее простые решения для них обсуждаются в разд. 10.9 и 10.10.
Реакция глубокого моря на перпендикулярный к берегу экмановский перенос также имеет существенные последствия, особенно в том случае, когда экмановский поток направлен от берега. В сторону открытого моря переносится легкая поверхностная вода, а замещается она у берега поднимающейся с нижних уровней плотной холодной водой, богатой питательными веществами (так называемый апвеллинг). При подъеме питательных веществ в освещенную Солнцем приповерхностную зону наступает быстрое размножение микроорганизмов, поэтому эти районы совпадают с важными рыбопромысловыми районами. Практически половина рыбопромысловых районов находится в прибрежных районах, занимающих крошечную долю поверхности океана. Явление апвеллинга рассмотрено в разд. 10.11.
Поскольку сосредоточенные в прибрежных районах береговые захваченные волны могут переносить информацию вдоль берега, апвеллинг не оказывается чисто локальной реакцией океана на ветер. Особенность длинных волн этого типа состоит в том, что они распространяются только в одном направлении, а именно к полюсу у восточного берега и к экватору у западного. Реакцию прибрежного района океана на ветер можно рассчитать, представляя вынуждающую силу в виде суммы подобных воли, разрешая обыкновенное дифференциальное уравнение для амплитуды каждой волны и суммируя их. Реально это делается довольно простым способом — предполагается, что реакция в основном определяется единичной волной. Этот случай
